Коллоидная химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие

2.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Цель работы. Провести коагуляцию золя гидратированного оксида железа(III) различными электролитами и исследовать зависимость порога коагуляции от величины заряда коагулирующего иона и введенного стабилизатора; изучить процессы денатурации и высаливания белка при коагуляции водных растворов яичного альбумина.

Реактивы и оборудование:

баня водяная и термометр спиртовой со шкалой до 100 ºС;

бюретка для титрования на 25 мл;

колбы конические емкостью 250 мл – 4 шт., 100 мл – 2 шт.;

пробирка стеклянная на 20 мл – 1 шт.;

пипетки мерные на 25 мл – 1 шт., на 10 мл – 1 шт.;

аммоний сернокислый, порошок;

золь гидратированного оксида железа(III)*;

водные растворы реагентов, указанные в табл. 2.1.

Примечание:

* используйте золь, полученный при выполнении работы «Получение и обнаружение золей», или приготовьте нужный золь по методике, описанной в этой работе;

** для приготовления раствора смешайте белки 1–2 куриных яиц со 100 мл дистиллированной воды и профильтруйте смесь через вату или бумажный фильтр.

21

Опыт 1. Исследование зависимости порога быстрой коагуляции золя от величины заряда коагулирующего иона

Поместите в каждую из трех чистых колб для титрования по 10 мл золя гидратированного оксида железа(III) и по приведенной ниже методике выполните титрование.

Налейте в бюретку для титрования раствор одного из коагулирующих электролитов (состав растворов указан в табл. 2.1). Затем этот раствор по каплям приливайте к исследуемому золю до появления легкого помутнения. Появление мути свидетельствует о начале коагуляции. Титруемую смесь перемешивайте с помощью магнитной мешалки или вручную, встряхивая колбу с золем. Объем добавленного электролита (V, мл) определите с точностью до 0,05 мл и запишите в таблицу по форме табл. 2.2.

электролита; Vэл и Vэ – объемы коагулирующего электролита и золя, израсходованные на титрование.

Постройте график зависимости lg(Спк) от lg(z) и оцените:

отношение пороговых концентраций для различных коагулирующих электролитов. Для этого найденные значения порогов коагуляции разделите на наименьшее значение в ряду исследованных солей. Полученные результаты сравните со значениями, следующими из тео-

рии коагуляции ДЛФО (C3 :C2 :C1 = 724: 11: 1);

22

знак заряда коллоидной частицы;

применимость правила значности к исследуемому золю;

вид аналитической зависимости lg(Спк) = f(lg(z)).

Опыт 2. Изучение защитного действия желатина при коагуляции электролитами золя гидратированного оксида железа(III)

Прилейте по 25 мл золя гидратированного оксида железа(III) в каждую из трех колб для титрования. В две колбы с золем добавьте по 5 мл 5 %-го раствора желатина. В одну из колб с желатином насыпьте щепотку порошка сульфата аммония. Затем прилейте из бюретки в каждую колбу 0,05М раствор сульфата натрия в количестве, достаточном для начала коагуляции.

Объем раствора сульфата натрия V (Na2SO4) , израсходованный на коагуляцию золя, запишите в таблицу по форме табл. 2.3.

Обработка результатов эксперимента. Сравните объемы раство-

ров электролитов, израсходованных на титрование различных смесей. Объясните, можно ли желатин отнести к стабилизаторам коллоидных систем. Оцените порог быстрой коагуляции золя гидратированного железа(III) в присутствии и при отсутствии желатина. Объясните суть коллоидной защиты.

Опыт 3. Денатурация яичного альбумина

Поместите в пробирку 10 мл водного раствора яичного альбумина и, медленно повышая температуру, нагревайте пробирку. Отметьте температуру, при которой в растворе появится белый осадок в виде легкой мути. При дальнейшем нагревании должны образоваться хлопья. После отстаивания смеси отделите осадок и попытайтесь растворить его в воде.

23

Обработка результатов эксперимента. Отметьте обратимый (или необратимый) характер изменения свойств белка при высоких температурах. Объясните причины изменения свойств белка при нагревании.

Опыт 4. Высаливание альбумина

В коническую колбу емкостью 100 мл прилейте 10 мл водного раствора яичного альбумина. Сюда же, при перемешивании взбалтыванием, небольшими порциями добавляйте порошок сернокислого аммония до выпадения осадка. Пропустите выделившийся осадок альбумина через бумажный фильтр.

Исследуйте полученную систему. Для этого осадок перенесите в чистый химический стакан и попытайтесь вновь растворить его в воде.

Обработка результатов эксперимента. Объясните механизм дей-

ствия электролита на белковый золь раствора альбумина и причину растворения осадка альбумина.

Сформулируйте вывод по коагуляции и коллоидной защите золей.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Что называют коагуляцией? Почему этот процесс происходит? Какие дисперсные системы относят к лиофобным, какие к лиофильным?

2.Перечислите основные правила коагуляции. Что называют порогом коагуляции и как его можно определить? Какими способами можно вызвать коагуляцию? Что называют быстрой и медленной коагуляцией?

3.Какие параметры дисперсной системы влияют на скорость коагуляции коллоидных частиц? Чем отличаются константы скорости быстрой и медленной коагуляции?

4.Каково различие между нейтрализационной и концентрационной коагуляцией коллоидных систем электролитами? Как влияет заряд коагулирующего иона на порог быстрой коагуляции?

5.Действием каких факторов обеспечивается агрегативная устойчивость лиофобных дисперсных систем? Какие вещества используют в качестве стабилизаторов этих систем?

6.Что называют «расклинивающим давлением» и каковы причины его возникновения? Перечислите составляющие расклинивающего давления.

24

7.Приведите примеры потенциальных кривых взаимодействия между частицами для агрегативно устойчивых и агрегативно неустойчивых дисперсных систем. Каковы особенности коагуляции частиц в первом и втором энергетических минимумах в соответствии с теорией ДЛФО?

8.Какой процесс называют необратимой коагуляцией? Почему она происходит? Можно ли объяснить механизм разрушения белков с помощью теории ДЛФО?

9.Какую роль в данной работе выполняет желатин? Почему при добавлении в желатиновый раствор сульфата аммония происходит частичная коагуляция дисперсной системы?

10.Поясните, за счет каких факторов можно повысить устойчивость лиофобных золей. В чем заключается сущность коллоидной защиты? Можно ли отнести желатин к защитным коллоидам?

25

Такие дифильные молекулы, способные взаимодействовать одновременно с полярными и неполярными средами, самопроизвольно накапливаются на границах раздела фаз, понижая энергию Гиббса поверхности и образуя адсорбционный слой определенной структуры. В адсорбционных слоях молекулы ПАВ ориентируются полярными группами в сторону полярной среды (воды), а гидрофобной частью – в сторону менее полярной фазы (воздуха, углеводородной жидкости). По мере заполнения поверхности раздела вода–воздух молекулами ПАВ поверхностное натяжение на этой границе снижается.

С ростом концентрации раствора число молекул ПАВ в адсорбционном слое увеличивается. При некоторой концентрации раствора может образоваться предельно насыщенный адсорбционный слой, так называемый «частокол Ленгмюра». В этом случае поверхностный слой отвечает конденсированной пленке и поверхность воды оказывается сплошь покрытой углеводородными участками молекул ПАВ. Поверхностное натяжение растворов при этих концентрациях приближается к значению поверхностного натяжения самих поверхностно-активных веществ на границе с воздухом.

При введении адсорбентов в растворы ПАВ молекулы поверхност- но-активных веществ могут адсорбироваться и на границе жидкости с твердой фазой. Согласно правилу Ребиндера, в результате адсорбции ПАВ разность полярностей на границе раздела фаз уменьшается. Все полярные гидрофильные поверхности адсорбируют ПАВ из неполярных и слабополярных жидкостей. Неполярные адсорбенты, такие как уголь или некоторые полимерные материалы, наоборот, хорошо адсорбируют ПАВ из полярных жидкостей.

На адсорбцию ПАВ из растворов существенное влияние оказывает также пористость адсорбента. Влияние пористости определяется соотношением размеров пор и молекул ПАВ. С уменьшением размеров пор адсорбция небольших молекул ПАВ, как правило, возрастает. Однако это наблюдается в тех случаях, когда молекулы ПАВ имеют размеры, позволяющие проникнуть в поры адсорбента.

По истечении определенного времени в системе адсорбент–раствор устанавливается равновесие между количеством А молекул ПАВ, перешедших на поверхность адсорбента, и их объемной равновесной концентрацией с. Это равновесие может быть описано уравнением

Ленгмюра, при этом величина A отвечает предельно заполненному

27

монослою. Для более точного определения величины A предпочтительнее использовать уравнение Лeнгмюра в линейной форме:

Графическая зависимость 1/A = f(1/c) выражается прямой, пересекающей ось ординат. Отрезок, отсекаемый на оси ординат, определяет величину, обратную емкости монослоя. Тангенс угла наклона прямой позволяет найти константу адсорбционного равновесия K .

Величину адсорбции А для ПАВ обычно рассчитывают, определяя концентрацию раствора до и после адсорбции:

А Г сисхm с V ,

где сисх , с – исходная и равновесная концентрации ПАВ в растворе;

m – масса адсорбента; V – объем раствора ПАВ, в который введен адсорбент.

Разность концентраций поверхностно-активного вещества (сисх с) удобно определять по изменению поверхностного натяжения раствора.

Экспериментально определив величину A , можно оценить площадь s0 , занимаемую молекулой ПАВ ( s0 1/ A NA ), и толщину0 монослоя ПАВ ( 0 A NA M/ , где М – молекулярная масса ПАВ, а ρ – его плотность). Зная величину адсорбции в предельно заполненном слое A , можно также рассчитать удельную поверхность адсорбента Sуд , т. е. поверхность, приходящуюся на единицу массы адсорбента:

Sуд А NAs0,

где NA – число Авогадро; s0 – площадь, занимаемая одной молекулой адсорбата в насыщенном мономолекулярном слое.

Для этого необходимо знать площадь s0 , занимаемую одной моле-

кулой адсорбата в насыщенном адсорбционном слое на границе раздела фаз. Согласно исследованиям Ленгмюра и Гаркинса, эта величина для большинства одноосновных жирных кислот и спиртов составляет

0,2…0,3 нм2.

28

Задание: подготовьте краткую теорию к отчету в соответствии с планом.

Что называют поверхностным натяжениям и адсорбцией? Как эти понятия связаны между собой?

Что называют изотермой, изостерой и изопикной адсорбции?

Какие уравнения описывают зависимость поверхностного натяжения растворов ПАВ от их концентрации? При каких условиях они применимы?

Как рассчитать толщину адсорбционного слоя и «посадочную» площадку молекул ПАВ, зная зависимость поверхностного натяжения от состава раствора?

3.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Цель работы. Получить изотермы поверхностного натяжения растворов уксусной кислоты на границе с воздухом, определить предельную адсорбцию данного реагента из водного раствора на активированном угле, вычислить удельную поверхность адсорбента.

Реактивы и оборудование:

прибор для измерения поверхностного натяжения;

весы аналитические;

колбы конические емкостью 100 мл с пробками – 6 шт.;

колбы мерные емкостью 100 мл – 1 шт., 50 мл – 1 шт.;

воронка стеклянная;

фильтровальная бумага;

пипетка стеклянная на 10 мл;

активированный уголь, порошок 7…10 г;

2М водный раствор уксусной кислоты.

3.2.1. ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАБОЧИХ РАСТВОРОВ

Приготовьте водные растворы уксусной кислоты с концентрациями, указанными в табл. 3.1. Растворы готовьте в мерных колбах объемом 100 мл методом последовательного разбавления исходного 2М раствора данного реагента.

При последовательном разбавлении каждый последующий раствор заданной концентрации (см. табл. 3.1) готовится разбавлением предыдущего раствора более высокой концентрации. Для разбавления раство-

29

ра в два раза используйте мерную колбу емкостью 50 мл, для точного доведения объема – стеклянную пипетку.

Таблица 3.1

Водные растворы уксусной кислоты и результаты эксперимента

10,4

20,2

30,1

40,05

5 0,025

60,013

3.2.2.ИЗМЕРЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНОГО НАТЯЖЕНИЯ

ИПОСТРОЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОВЕРХНОСТНОГО

НАТЯЖЕНИЯ ИСХОДНЫХ РАСТВОРОВ ОТ ИХ КОНЦЕНТРАЦИИ

Внимание! Перед началом измерений изучите инструкцию по работе с прибором по определению поверхностного натяжения (см. приложение).

Измерьте поверхностное натяжение ( , Н/м) растворов, начиная с наименьшей концентрации. Результаты измерений внесите в табл. 3.1. Постройте график зависимости = f(с), откладывая по оси ординат

значения поверхностного натяжения, а по оси абсцисс – концентрации. Полученный график используйте в качестве калибровочной изотермы поверхностного натяжения.

3.2.3. ПРОВЕДЕНИЕ АДСОРБЦИИ УКСУСНОЙ КИСЛОТЫ НА АКТИВИРОВАННОМ УГЛЕ

В пронумерованные сухие конические колбы с пробками поместите по 1 г активированного угля. Затем в каждую из колб прилейте 50 мл рабочего раствора уксусной кислоты соответственно номеру, приведенному в табл. 3.1. Смеси энергично взбалтывайте через каждые 3…5 мин в течение примерно 30 мин.

30